基于模型的飛機(jī)系統(tǒng)功能分析技術(shù)研究及應(yīng)用

戴晶黎，劉俊堂，黎娜

航空工業(yè)第一飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院，陜西 西安 710089

飛機(jī)系統(tǒng)功能分析是在系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)過程中，通過不斷迭代、細(xì)化飛機(jī)不同層級功能需求，從而確定飛機(jī)功能及系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的過程。飛機(jī)系統(tǒng)功能分析的目的是幫助設(shè)計(jì)人員定義滿足用戶需求的飛機(jī)系統(tǒng)，確保飛機(jī)系統(tǒng)功能完整性和正確性[1]。

飛機(jī)系統(tǒng)功能分析包括三個階段：系統(tǒng)需求分析、系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)及系統(tǒng)架構(gòu)分析與設(shè)計(jì)[2]。飛機(jī)系統(tǒng)需求分析方法有頭腦風(fēng)暴法、討論會、訪談等。捕獲利益相關(guān)方的需求后，經(jīng)轉(zhuǎn)化獲得系統(tǒng)初步功能需求，生成初步功能需求規(guī)格說明書等標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)文檔，作為后續(xù)系統(tǒng)功能分析的輸入。對于飛機(jī)系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)及系統(tǒng)架構(gòu)分析與設(shè)計(jì)階段分析的方法有原型法、結(jié)構(gòu)化分析方法以及面向?qū)ο蟮姆治龇椒ǖ取鹘y(tǒng)的飛機(jī)系統(tǒng)功能分析采用基于文檔的方法，是一種結(jié)構(gòu)化的分析設(shè)計(jì)方法。結(jié)構(gòu)化方法是通過靜態(tài)的二維視圖（如功能流圖）描述開發(fā)系統(tǒng)的功能及行為，通過結(jié)構(gòu)化分析和設(shè)計(jì)可以確定系統(tǒng)需求。基于文檔的功能分析方法存在設(shè)計(jì)文檔難維護(hù)、難重用、難追溯，對于后期設(shè)計(jì)質(zhì)量（如正確性、完整性）難評估等缺點(diǎn)。此外，該方法對于系統(tǒng)前期驗(yàn)證不足，造成了后期驗(yàn)證壓力大、更改成本大等嚴(yán)重問題。

基于模型的方法是一種面向?qū)ο蟮姆治龇椒ǎ嫦驅(qū)ο蟮姆治龇椒ú捎贸绦蛘Z言，精確描述系統(tǒng)功能，通過功能模型（用例、各類視圖）模擬真實(shí)系統(tǒng)，迭代開發(fā)驗(yàn)證系統(tǒng)的需求。該方法用于解決邏輯復(fù)雜的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，而飛機(jī)系統(tǒng)就是一個系統(tǒng)交聯(lián)耦合、專業(yè)集成度高的復(fù)雜系統(tǒng)[3]。本文以飛機(jī)副翼系統(tǒng)正常控制狀態(tài)為例，探索基于模型的飛機(jī)系統(tǒng)功能分析方法。

1 基于模型的飛機(jī)系統(tǒng)功能分析方法

基于模型的飛機(jī)系統(tǒng)功能分析過程包含三部分：基于模型的系統(tǒng)需求分析、基于模型的系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)以及基于模型的系統(tǒng)架構(gòu)分析與設(shè)計(jì)。基于模型的系統(tǒng)需求分析通過創(chuàng)建用例模型明確系統(tǒng)的邊界、系統(tǒng)功能類型以及系統(tǒng)利益相關(guān)方；基于模型的系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)，針對各系統(tǒng)用例展開設(shè)計(jì)，明確用例所涉及的系統(tǒng)功能、接口數(shù)據(jù)、系統(tǒng)行為，通過系統(tǒng)黑盒分析的手段保證系統(tǒng)功能的完整性和正確性；基于模型的系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)，綜合考慮系統(tǒng)功能需求分析結(jié)果以及系統(tǒng)其余約束條件，通過系統(tǒng)白盒分析的方法形成系統(tǒng)功能架構(gòu)。

飛機(jī)系統(tǒng)功能開發(fā)設(shè)計(jì)過程，從系統(tǒng)需求出發(fā)，通過系統(tǒng)應(yīng)用場景劃分，將系統(tǒng)化整為零，以降低系統(tǒng)的復(fù)雜度，并對小系統(tǒng)逐步進(jìn)行迭代設(shè)計(jì)，不斷驗(yàn)證系統(tǒng)用例的正確性。在完成一整套各個用例設(shè)計(jì)后，即完成了系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)，可以根據(jù)需要進(jìn)行用例合并，合零為整。這種設(shè)計(jì)方法將復(fù)雜的設(shè)計(jì)過程先分解成多個用例，再通過各系統(tǒng)用例中黑盒/白盒的設(shè)計(jì)完成系統(tǒng)的詳細(xì)設(shè)計(jì)。該白盒/黑盒設(shè)計(jì)方法依托功能模型的創(chuàng)建及運(yùn)行進(jìn)行系統(tǒng)分析，主要功能模型包括：活動圖、時序圖以及狀態(tài)圖。（1）活動圖闡明了用例實(shí)現(xiàn)的工作流程，核心元素是動作，其本質(zhì)上是一種流程圖。通過系統(tǒng)功能流的展示，確定系統(tǒng)工作邏輯以及功能接口。在創(chuàng)建活動圖的過程中，逐步完善系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)。活動圖可清晰表達(dá)系統(tǒng)的復(fù)雜功能邏輯，因此，對于功能邏輯不復(fù)雜或者成熟的系統(tǒng)，可以選擇性創(chuàng)建。（2）時序圖按時間順序描述了對象間的交互關(guān)系，其對象是各個實(shí)現(xiàn)功能的系統(tǒng)部件。通過對象之間的消息傳遞，詳細(xì)驗(yàn)證系統(tǒng)的工作邏輯以及確定系統(tǒng)內(nèi)外部接口。在創(chuàng)建時序圖的過程中，逐步驗(yàn)證系統(tǒng)的各項(xiàng)指標(biāo)和功能，完善系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)。（3）狀態(tài)圖描述了系統(tǒng)的工作狀態(tài)變遷過程，從狀態(tài)的視角驗(yàn)證系統(tǒng)功能的全面性以及正確性，是對時序圖的一種有效的補(bǔ)充驗(yàn)證。

基于模型的飛機(jī)系統(tǒng)功能分析方法，借助于以上三種模型，運(yùn)用系統(tǒng)工程的思想，完成功能分析過程。這些模型集成了一些系統(tǒng)的屬性和狀態(tài)，是文檔無法描述的。模型能夠準(zhǔn)確反映設(shè)計(jì)者的意圖，同時可讀性也很強(qiáng)。通過模型中圖形化的對象描述系統(tǒng)功能，消除了同一個系統(tǒng)的不同描述的二義性。

2 基于模型的飛機(jī)副翼系統(tǒng)功能分析

本案例結(jié)合通用飛機(jī)副翼系統(tǒng)正常控制狀態(tài)開發(fā)過程，詳細(xì)介紹基于模型的飛機(jī)系統(tǒng)功能分析方法。運(yùn)用基于模型的飛機(jī)系統(tǒng)功能分析方法，飛機(jī)副翼系統(tǒng)正常控制功能分析過程可以分為副翼系統(tǒng)需求分析、副翼系統(tǒng)正常控制黑盒分析及副翼系統(tǒng)正常控制白盒分析。

2.1 需求分析

副翼系統(tǒng)需求分析，首先需要將利益相關(guān)方的需求轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)功能需求。本文中只列舉系統(tǒng)部分功能需求以簡化該系統(tǒng)功能的分析過程。其次，依據(jù)工作場景分析進(jìn)行用例的劃分。本文中的用例劃分只是其中一種示例，僅供參考。

用例的劃分通常應(yīng)結(jié)合項(xiàng)目開發(fā)的實(shí)際需要以及分析結(jié)果進(jìn)行。副翼系統(tǒng)主要功能需求包括：副翼偏轉(zhuǎn)控制、左右副翼系統(tǒng)同步自檢測、副翼配平、故障告警功能、故障鎖定功能等。參照副翼系統(tǒng)主要功能需求，其用例可劃分為：副翼自檢測、副翼正常控制、副翼降級控制、副翼備份控制、副翼失效保護(hù)。

2.2 正常控制黑盒分析

副翼系統(tǒng)正常控制黑盒分析過程，根據(jù)開發(fā)系統(tǒng)的復(fù)雜度可以選用黑盒活動圖、黑盒時序圖和黑盒狀態(tài)圖三類模型進(jìn)行系統(tǒng)功能分析。此案例中僅選用黑盒時序圖進(jìn)行說明。黑盒時序圖如圖1所示。

圖1 黑盒時序圖Fig.1 Black-box sequence diaqram

副翼系統(tǒng)黑盒時序圖，是將副翼系統(tǒng)作為整體考慮，主要分析副翼系統(tǒng)與外部相關(guān)系統(tǒng)之間的功能時序關(guān)系。外部系統(tǒng)包括：液壓源系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、起落架控制系統(tǒng)、正副駕駛員、航電系統(tǒng)、主飛控分系統(tǒng)以及副翼結(jié)構(gòu)。明確與其相關(guān)的外部系統(tǒng)后，根據(jù)系統(tǒng)之間的功能時序關(guān)系，分析并驗(yàn)證系統(tǒng)所需實(shí)現(xiàn)功能的正確性和完整性。同時，該時序圖還展現(xiàn)了副翼控制系統(tǒng)與外部系統(tǒng)進(jìn)行的交互關(guān)系，外部系統(tǒng)可以發(fā)送消息給副翼系統(tǒng)，或者接受來自于副翼系統(tǒng)的消息。每個消息的接發(fā)都描述了系統(tǒng)與外部系統(tǒng)的接口關(guān)系。此外，黑盒時序圖還可以依據(jù)外部的觸發(fā)條件動態(tài)展示依據(jù)時間關(guān)系的功能流，設(shè)計(jì)人員以此去判斷該系統(tǒng)設(shè)計(jì)是否符合副翼系統(tǒng)設(shè)計(jì)功能需求，保證需求的全覆蓋。

2.3 正常控制白盒分析

副翼系統(tǒng)正常控制白盒分析過程涉及三類模型：白盒活動圖、白盒時序圖和白盒狀態(tài)圖。此案例中選用白盒時序圖進(jìn)行方法說明。白盒時序圖如圖2所示。

副翼系統(tǒng)白盒設(shè)計(jì)主要分析系統(tǒng)內(nèi)部子系統(tǒng)以及子系統(tǒng)與外部系統(tǒng)之間的交互關(guān)系。副翼系統(tǒng)外部系統(tǒng)與黑盒設(shè)計(jì)所涉及的外部系統(tǒng)相同，內(nèi)部子系統(tǒng)可分為副翼控制計(jì)算機(jī)、副翼控制手柄、副翼位置傳感器以及副翼作動器。明確相關(guān)的內(nèi)部子系統(tǒng)后，根據(jù)內(nèi)部子系統(tǒng)、內(nèi)部子系統(tǒng)之間以及內(nèi)部子系統(tǒng)與外部系統(tǒng)之間的功能時序關(guān)系，將系統(tǒng)需求分解并分配到副翼控制子系統(tǒng)或設(shè)備，完成副翼系統(tǒng)功能架構(gòu)設(shè)計(jì)。白盒時序圖中除了外部系統(tǒng)與內(nèi)部子系統(tǒng)之間可以接發(fā)消息外，還可以描述內(nèi)部子系統(tǒng)之間接發(fā)消息。內(nèi)部子系統(tǒng)之間消息的接發(fā)描述了副翼控制系統(tǒng)內(nèi)部的接口關(guān)系。時序圖的動態(tài)仿真可以輔助設(shè)計(jì)人員判斷副翼系統(tǒng)設(shè)計(jì)是否滿足設(shè)計(jì)需求，并可以進(jìn)一步細(xì)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求。

飛機(jī)系統(tǒng)正常控制功能分析的過程中，運(yùn)用基于模型的功能分析方法，可以進(jìn)行模型的移植和共享。例如，黑盒分析過程中時序圖的創(chuàng)建參考了黑盒活動圖；白盒分析過程中模型的創(chuàng)建借用了黑盒分析過程中已創(chuàng)建的模型。對于系統(tǒng)分析的正確結(jié)果以及公共部件，在系統(tǒng)開發(fā)時也可以進(jìn)行借用，省去了重復(fù)分析的過程。此外，借助于數(shù)據(jù)管理平臺可以針對同一飛機(jī)系統(tǒng)的不同用例進(jìn)行并行設(shè)計(jì)，便于設(shè)計(jì)協(xié)調(diào)，提高工作的效率。

3 基于模型的系統(tǒng)功能分析流程

通過對副翼系統(tǒng)功能分析的研究，探索總結(jié)出一套基于模型的系統(tǒng)功能分析流程。該流程具有代表性，實(shí)際系統(tǒng)開發(fā)可參考該流程，結(jié)合相關(guān)開發(fā)需求，通過流程定制及調(diào)整應(yīng)用于系統(tǒng)開發(fā)過程。基于模型的飛機(jī)系統(tǒng)功能分析流程如下：（1）識別系統(tǒng)利益相關(guān)方，并將利益相關(guān)的需求轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)需求；（2）依據(jù)系統(tǒng)需求進(jìn)行用例劃分及利益相關(guān)方分析；（3）建立需求與用例之間的鏈接關(guān)系，進(jìn)行需求覆蓋度分析；（4）針對系統(tǒng)用例，通過創(chuàng)建活動圖進(jìn)行系統(tǒng)功能流分析；（5）依據(jù)功能流分析結(jié)果創(chuàng)建時序圖，進(jìn)行用例場景分析；（6）依據(jù)用例場景分析的結(jié)果通過內(nèi)部塊圖分析系統(tǒng)外部交互關(guān)系，確定外部接口；（7）通過創(chuàng)建系統(tǒng)狀態(tài)圖分析系統(tǒng)的狀態(tài)變遷驗(yàn)證模型的正確性；（8）根據(jù)之前的模型執(zhí)行結(jié)果修正模型并更新系統(tǒng)需求；（9）結(jié)合功能危險性分析、性能分析、參考架構(gòu)分析等相關(guān)系統(tǒng)約束條件，通過權(quán)衡分析得到幾類備選架構(gòu)；（10）依據(jù)所選架構(gòu)，進(jìn)行功能分配，將功能分配到系統(tǒng)設(shè)備上，創(chuàng)建系統(tǒng)的白盒活動圖；（11）通過白盒時序圖進(jìn)一步分析系統(tǒng)設(shè)備功能實(shí)現(xiàn)場景并確定設(shè)備間的接口關(guān)系；（12）依據(jù)白盒時序圖編輯內(nèi)部塊圖，確定系統(tǒng)內(nèi)部接口關(guān)系；（13）創(chuàng)建系統(tǒng)白盒狀態(tài)圖分析系統(tǒng)的狀態(tài)變遷過程，通過模型執(zhí)行驗(yàn)證設(shè)計(jì)正確性；（14）依據(jù)系統(tǒng)白盒化分析，完成系統(tǒng)需求的分解與分配并更新需求與系統(tǒng)設(shè)備之間的追溯關(guān)系；（15）綜合系統(tǒng)所有用例的完整分析結(jié)果，完成系統(tǒng)功能架構(gòu)設(shè)計(jì)并更新系統(tǒng)需求。

4 結(jié)束語

運(yùn)用基于模型的手段結(jié)合現(xiàn)行的飛機(jī)系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)流程，建立一套符合工程應(yīng)用的設(shè)計(jì)流程和方法，并在型號應(yīng)用中進(jìn)行試點(diǎn)驗(yàn)證。通過前期的設(shè)計(jì)迭代及功能虛擬驗(yàn)證，有效地減少了系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì)階段的返工并提高了設(shè)計(jì)的正確性。同時通過統(tǒng)一的流程約束以及需求的追溯控制，提高了設(shè)計(jì)更改的效率，縮短系統(tǒng)設(shè)計(jì)周期的同時，降低了研制成本，提高了飛機(jī)整體性能及設(shè)計(jì)可控性。該技術(shù)的研究與應(yīng)用，促進(jìn)了相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的制定，推動了先進(jìn)技術(shù)手段在飛機(jī)系統(tǒng)研制過程中的應(yīng)用，并且為打通飛機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)生命周期中的功能分析與需求管理和系統(tǒng)集成仿真驗(yàn)證等環(huán)節(jié)奠定了基礎(chǔ)。